厉害了！这家中国科技公司，刚发Nature Energy，第一单位又发Nature!
米测MeLab
2024-09-12
研究背景
随着全球能源需求的不断增加和对环境保护要求的提高，太阳能作为一种可再生能源受到了广泛关注。尤其是晶体硅太阳能电池，凭借其卓越的效率、丰富的材料供应和长期可靠性，长期以来在光伏市场中占据主导地位。然而，晶体硅电池的进一步性能提升面临着如Auger复合和寄生吸收等问题，这些因素限制了其光电转换效率的进一步提高。为了突破这些限制，科学家们提出了一种新的策略，即在硅基异质结（SHJ）电池顶部整合宽带隙金属卤化物钙钛矿，形成钙钛矿/硅串联电池。该策略通过最小化载流子热化损失，显著提升了光电转换效率（PCE）。钙钛矿/硅串联电池因此受到了广泛关注，近期已有多个研究团队展示了超过31%的独立认证PCE，这表明这一策略在提升电池性能方面的潜力。当前的高效串联太阳能电池通常采用倒置的p-i-n结构，以结合低寄生吸收和渐变折射率薄膜结构的优点。然而，p-i-n型钙钛矿器件在钙钛矿与C60界面处存在强界面复合，导致开路电压（Voc）亏损较大，从而影响了功率输出。为了解决这一问题，研究者们探索了多种方法，如引入超薄LiF或MgFx夹层，以改善能带对准并减少非辐射复合。此外，通过在钙钛矿表面使用界面封盖层（如铵配体或功能性反应化合物）也取得了一定的效果。然而，这些方法在p-i-n结构中的应用面临着挑战，主要是如何在最小化复合损失和限制接触电阻之间取得最佳平衡。 针对这一挑战，隆基绿能Jiang Liu、Xixiang Xu、Bo He、Zhenguo Li、苏州大学Xiaohong Zhang、香港理工大学Jun Yin和华能清洁能源研究院Ping Xiao课题组合作在“Nature”期刊上发表了题为“Perovskite-silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation”的最新论文。研究提出了一种双层界面钝化策略。该策略首先利用超薄的LiF层进行接触置换和场钝化，然后进一步沉积短链乙二胺二碘化物（EDAI）分子。LiF层主要用于接触置换，而EDAI分子则化学钝化了LiF层未接触到的未钝化区域，在钙钛矿/C60界面处形成纳米级局部接触，从而在钝化和电荷提取之间提供了最佳平衡。作者在双面纹理化的区熔（CZ）硅异质结电池上构建了钙钛矿-硅串联器件，这种电池具有轻微纹理化的前表面和高度纹理化的后表面，增强了光电流的同时保持了后侧钝化效果。最终，作者成功实现了一个认证的稳定PCE为33.89%的钙钛矿-硅串联太阳能电池，填充因子达到83.0%，开路电压接近1.97伏。这一成果不仅突破了单结Shockley-Queisser极限（33.7%），还为钙钛矿-硅串联电池的高效能提升提供了新的技术路径和理论依据。
研究亮点
（1）实验首次提出了一种双层交织钝化策略，结合了纳米级分布的超薄LiF层和二碘化双铵分子，成功应用于钙钛矿-硅串联太阳能电池中。通过这一策略，有效地抑制了宽带隙钙钛矿/电子传输层界面的非辐射复合，同时保证了高效的电子提取。（2）实验通过构建双面纹理化的区熔（CZ）硅异质结电池，实现了钙钛矿-硅串联电池的优化。前表面采用轻微纹理化设计，后表面则是高度纹理化，从而在增强光电流的同时保持了后侧的钝化效果。（3）最终结果显示，所制备的钙钛矿-硅串联太阳能电池的认证稳定光电转换效率（PCE）达到了33.89%，填充因子（FF）为83%，开路电压（Voc）接近1.97伏。这一成果首次超过了单结Shockley-Queisser极限（33.7%），在光伏领域具有重要意义。
图文解读
总结展望
本文展示了钙钛矿-硅串联太阳能电池在提升光电转换效率（PCE）方面的巨大潜力，尤其是在突破单结Shockley-Queisser理论极限的背景下具有重要意义。通过巧妙的双层交织钝化策略，利用纳米级离散分布的LiF超薄层和二碘化双铵分子层，成功抑制了宽带隙钙钛矿/电子传输层界面的非辐射复合，同时维持了优异的电荷传输性能。这种策略不仅增强了电子提取，还显著提升了串联电池的光电流和整体性能。此外，本文采用了双面纹理化区熔硅片，在保证后侧钝化效果不受影响的同时，进一步提升了光电流表现。这一创新技术使得钙钛矿-硅串联电池的PCE达到了33.89%，为未来高效太阳能电池的设计提供了新的思路，尤其在超越单结电池性能瓶颈方面展现出巨大应用潜力。Liu, J., He, Y., Ding, L. et al. Perovskite-silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07997-7
